张 玉,李 珠,马 钢

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

火灾下玻化微珠保温混凝土梁的抗弯承载力的分析与计算

张 玉,李 珠,马 钢

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

为了对玻化微珠保温混凝土受弯梁构件在火灾下的安全性能进行评估提供有效的分析手段，采用有限元分析方法，对不同受火时间下玻化微珠保温混凝土受弯梁截面温度场的分布与高温下的力学性能进行分析,结合玻化微珠保温混凝土在不同受火温度下的抗压强度试验研究结果,提出了火灾下混凝土受弯梁的承载力估算方法,并与同参数的普通混凝土受弯梁进行对比。结果表明,在火灾下不同时刻,玻化微珠保温混凝土梁体的温度场分布随时间的变化幅度更小,梁体温度上升更加缓慢;在相同受火条件下,玻化微珠保温混凝土梁的残余抗弯承载力远远高于普通混凝土梁。

玻化微珠保温混凝土;受弯梁;温度场;ANSYS;升温曲线

钢筋混凝土结构在现代建筑中应用广泛,钢筋混凝土梁作为最常见的抗弯构件,在建筑结构中扮演着重要角色。钢筋和混凝土材料在火灾下不燃烧,属于热惰性材料,但由于火灾的高温作用使梁结构的材料性能劣化,发生内应力的重分布,导致梁的力学性能在严重削弱,将大大危害到主体结构的安全性,因此,对火灾及高温下混凝土受弯梁构件力学性能的劣化程度进行研究是十分必要的。玻化微珠保温混凝土[1]作为一种新型的建筑材料,集承重与保温能力为一体,与普通混凝土相比,具有强度高,自重轻等优势,玻化微珠保温混凝土结构已经应用于实际工程[2],对玻化微珠保温混凝土材料及构件的耐火问题的研究对其进一步推广应用有着至关重要的作用。本文基于火灾下混凝土构件的温度场分布受材料热工参数等因素的影响,鉴于试验研究各种参数对温度场的影响难度较大。本研究通过传热学的基本原理并结合试验情况,采用有限元分析软件ANSYS计算温度场,通过对火灾高温下玻化微珠保温混凝土受弯梁构件的热工性能的模拟,推出玻化微珠保温混凝土受弯梁构件在ISO标准升温曲线作用下的极限抗弯承载力,进而推出火灾下,不同时间点玻化微珠保温混凝土受弯梁构件的承载力折减系数及相关计算公式,从而简明描述火灾过程中玻化微珠保温混凝土受弯梁的弱化过程。

1 温度场分析[3]的基本原理

某时刻混凝土内部温度场是时间和空间的函数,数学表达式为：

f=f(x,y,z,t) .

式中:x,y,z为混凝土内某点的空间坐标;t为温度。

在火灾作用下,混凝土受弯梁内部的温度场随时间变化,是一个非线性的瞬态传热问题,混凝土的导热系数、密度以及比热等都是随温度变化的函数。

1.1 导热微分方程

火灾情况下,混凝土的导热微分方程为

(1)

式中:λ为混凝土导热系数;c为比热容;ρ为密度。

1.2 高温下混凝土的热工性能

混凝土结构构件内部温度场的分布和变化,与其外部温度环境和材料的热工性能相关。温度场涉及的材料热工性能参数包括:热容、导热系数和质量密度。

1) 传热系数KC,W/(m2·K)定义为在温度梯度下,单位时间内通过单位等温面积的热量,由于模拟采用的普通混凝土模型为钙质骨料混凝土,采用欧洲规范建议的高温下钙质骨料混凝土的热传导系数计算公式。混凝土热传导系数随温度的变化规律,如式(2)所示。

(2)

玻化微珠轻骨料混凝土的导热系数表达式如式(3)所示。

(3)

2) 比热。玻化微珠的比热计算采用欧洲规范建议的高温下混凝土比热的计算公式,如式(4)。

(4)

3)密度。由于在升温的过程中水分的蒸发,混凝土的密度在受热过程中有所降低,采用欧洲规范建议的高温下混凝土密度计算公式,式(5)为普通混凝土在高温下的密度计算公式,式(6)为玻化微珠保温混凝土在高温下的密度计算公式。

ρC(t)=2 600-0.5t，

(5)

ρC(t)=1 900-0.5t.

(6)

2 玻化微珠保温混凝土高温下的基本力学性能

采用了高温下边长为100mm×100mm×100mm,混凝土强度等级为C30的混凝土立方体试块,分别进行7种不同温度的高温处理,以对比玻化微珠保温混凝土与普通混凝土高温下抗压强度。由于混凝土是热惰性材料,Mohamedbhai[4]通过普通混凝土内埋应变片的恒高温试验认为,在温度达到并恒温3h后即可认为试块满足截面无温度梯度假设,高温下强度较稳定。玻化微珠保温混凝土与普通混凝土恒温3h混凝土试块的轴心抗压强度值如表1所示。

表1 各混凝土在不同温度下恒温3 h的轴心抗压强度 MPa

3 火灾下混凝土受弯梁的温度场分析

3.1 标准升温曲线

准确描述火灾时建筑室内空气温度的分布及其随时间变化的规律是结构抗火需要解决的首要问题,火灾升温曲线是火灾温度与持续时间之间的关系。我国现行有关标准采用国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线,其表达式如式(7)所示。

θ-θ0=345 log(8t+1) .

(7)

式中:t为试验所经历的时间,min;θ为升温到t时间的炉温,℃;θ0为炉内初始温度,℃。

3.2 ANSYS模型建立以及边界条件

ANSYS计算采用升温曲线模拟火灾环境下的温度[5]。温度场计算中有限元模型单元采用solid70,该单元具有三个方向的热传导能力,有8个节点且每个节点上只有一个温度自由度,用于三维静态或瞬态的热分析。由于在火灾过程中,表面升温非常快,造成混凝土内部有很大的温度梯度,有限元分析单元边长设为20 mm,模型计算时间为10、60、180 min。初始条件，假设梁体上部为楼板,模拟混凝土梁三面受火情形下的梁体内部瞬态温度场响应,假设整个结构的温度均匀,且等于环境温度20 ℃。

4 火灾后钢筋混凝土受弯梁剩余承载力计算

钢筋混凝土梁常作为受弯构件出现在结构中,其在遭受长时间火灾情况下,混凝土及内部纵向抗拉钢筋的力学性能会发生不同程度的改变,钢筋混凝土梁的抗弯承载能力将严重受损。玻化微珠保温混凝土作为一种新型保温承重混凝土,火灾及高温同样会对混凝土材料造成不同程度的影响,本文通过对火灾下玻化微珠保温混凝土梁的瞬态温度场分布的模拟分析,利用强度等效折减法对玻化微珠保温混凝土梁高温下的抗弯承载能力进行计算与评估。

4.1 温度场分析方法

本研究中梁体跨中截面钢筋强度等级为HRB335,混凝土强度等级为C30,轴心抗压强度标准值为fC=20.1 N/mm2,钢筋混凝土梁宽150 mm,高300 mm,梁体纵向受力钢筋直径为C14,梁上部为楼板。将梁体混凝土划分网格,网格尺寸为10 mm×10 mm,这样梁体截面被离散化为30×15个微元,坐标为(i,j)的微元在θ0时刻的温度记为tθ0(i,j),近似取微元中心温度代表网格的温度,本研究网格的尺寸决定了梁体抗弯承载力的计算误差,网格尺寸越小,计算结果越接近准确值,混凝土梁温度场网格图如图1图2所示。

小儿柴桂退热颗粒的UPLC指纹图谱及聚类、主成分分析…………………………………………………… 林 源等（4）：474

图1 玻化微珠保温混凝土温度场分布云图

图2 普通混凝土温度场分布云图

4.2 混凝土

通过单元网格,计算混凝土受压区面积。根据混凝土温度场分布云图及不同受火时间截面受压区的面积来计算混凝土所提供的应力之和。忽略因保护层破坏造成的影响。

4.3 钢筋

钢筋混凝土的耐火性较差,特别是随着温度的提高,钢筋的强度和刚度迅速下降,因此混凝土对钢筋的保护尤其重要,在建筑火灾或长时间高温下,如果钢筋混凝土结构的保护层受损后开裂脱落,是十分危险的。不同于混凝土是热惰性材料,钢筋是热的良导体,不同时刻梁体受力钢筋位置处混凝土的温度作为钢筋温度,据过镇海[6]等人的研究可以得到三级钢筋在恒载升温的条件下的强度如图3所示。由于高温中试件当受热温度不超过650 ℃时,极限粘结应力下降程度不明显,因此,当钢筋温度低于650 ℃时,本计算忽略钢筋与混凝土粘结力随温度的退化[7]。

图3 三级钢在恒载升温条件下的强度

4.4 混凝土梁残余抗弯承载力计算

火灾下材料的力学性能发生变化,梁体控制截面的应力分布及中性轴位置发生相应的改变,本研究根据等效截面法的假设和常温下受弯构件的计算原则求解其剩余承载力,忽略梁体受拉区混凝土的抗拉能力。根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》[8],可知钢筋混凝土受弯梁构件破坏时的跨中截面的抗弯承载力计算公式如式(8)(9)所示。

pyAS=α1pcbx.

(8)

Mu=pyAS(h0-x)+0.5a1pcbx2=

(9)

在本研究中依据规范公式,衍生出梁体抗弯承载力的近似计算法用于对梁体抗弯承载力退化程度进行量化评估如式(10)(11)所示。

(10)

(11)

计算得到玻化微珠保温混凝土及普通混凝土在火灾下相同时刻的残余承载力,如表2所示。图4为混凝土在火灾下相同时刻残余承载力对比图,从图4可以看出,随着受火时间的推移,玻化微珠保温混凝土梁承载力下降较为缓慢,普通混凝土梁承载力下降较快。在受火30 min时,玻化微珠保温混凝土梁与普通混凝土梁承载力分别下降21%和32%；在受火180 min时,二者的承载力分别下降了79%和92%。主要原因在于玻化微珠保温混凝土中含有大量的玻化微珠,具有保温隔热的作用,可以有效减缓火灾热量的传递速度。特别是当玻化微珠保温混凝土受火120 min后以及普通混凝土受火60 min后,钢筋温度超过650 ℃,钢筋与混凝土粘结力的退化导致FM的实际值将低于FM的估算值。

表2 火灾下相同时刻各混凝土梁跨中截面应力参数

图4 混凝土在火灾下相同时刻残余承载力对比图

5 结论

1) 在确定边界条件及相关热工参数后,本文对火灾下玻化微珠保温混凝土和普通混凝土受弯梁的控制截面瞬态温度场进行对比分析,得出其随温度的变化规律。

2) 利用试验得出混凝土材料在高温下的力学性能,使用强度等效折减法,对不同温度下混凝土受弯梁抗弯承载力进行计算,并得出了不同温度作用下混凝土梁抗弯承载力近似值的计算方法,本方法可用于对火灾及高温下的新型混凝土梁体抗弯承载力进行评估与预测。

3) 通过与普通混凝土梁同边界条件下的对比可知,玻化微珠保温混凝土作为一种新型承重保温建筑材料,凭借良好的隔热性能,其受弯构件在火灾及高温作用下更加可靠与安全。

[1] 张泽平,董彦莉,李珠,等.玻化微珠保温混凝土试验研究[J].新型建筑材料,2007(11):73-75.

[2] 杨卓强,刘元珍,郑晓红,等.玻化微珠保温混凝土泵送技术研究与应用[J].施工技术,2013(42):23-25.

[3] 高皖扬,胡克旭,陆洲导.火灾下碳纤维加固混凝土梁温度场分析[J].武汉理工大学学报,2008(30):94-98.

[4] Mohamedbhai GTG.Effect of exposure time and rates of heating and cooling on residual strength of heated concrete[J].Magazine of Concrete Research,1986(136):127-135.

[5] 丁建新,张石虎,陈胜宏.基于复合单元法的温度场仿真与反馈分析[J].水利发电学报,2013(32):190-197.

[6] 吕彤光,时旭东,过镇海.高温下Ⅰ-Ⅴ级钢筋的强度和变形试验研究[J].福州大学学报：自然科学版,1996,S1:11-17.

[7] 袁广林,郭操,吕志涛.高温下钢筋混凝土粘结性能的试验与分析[J].工业建筑,2006(2):57-60.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

(编辑：朱 倩)

The Analysis and Calculation on Bearing Capacity of Glazed Hollow Bead Insulation Concrete Bending Beam under Fire

ZHANG Yu,LI Zhu,MA Gang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

This study aims to establish an effective analysis way to evaluate the safety performance of glazed hollow bead insulation concrete bending beam under fire. Using the finite element analysis method, this paper analyzed temperature field distribution in section under different time by fire and mechanical performance under high temperature of glazed hollow bead insulation concrete bending beam.Combining with the compression strength test results of glazed hollow bead insulation concrete under different fire temperature, this paper proposed the method for estimating the bearing capacity of concrete bending beams under fire,and compared the result with that of normal concrete bending beams with the same parameters.Results show that with different fire time, the change range of temperature field distribution in glazed hollow bead insulation concrete beam is smaller, and the beam body temperature rises more slowly. In the same condition by fire, the residual bearing capacity of glazed hollow bead insulation concrete bending beam is much higher than that of normal concrete bending beam. The research results in this paper can provide relevant reference to the related engineering application of glazed hollow bead insulation concrete.

glazed hollow bead insulation concrete;bending beam;temperature field;ANSYS;elevated temperature curve

1007-9432(2015)05-0548-05

2014-12-07

国家自然科学基金资助项目：玻化微珠保温砂浆劣化机理及对结构耐久性的影响研究(51308371)；山西省自然科学基金资助项目：装配式保温混凝土剪力墙结构体系抗震研究(2014011033-1)

张玉(1987-)，女，山西晋中人，博士生，主要从事建筑节能的研究，(E-mail)215215zy@163.com，(Tel)18734861345

TU551.34

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.013